面板堆石壩軟質(zhì)砂巖主堆料工程特性研究

馬棟和，叢中方，隋偉，劉錦程

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130061；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林長(zhǎng)春130061；3.山東文登抽水蓄能有限公司，山東威海266440；4.黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江牡丹江157005）

面板堆石壩軟質(zhì)砂巖主堆料工程特性研究

馬棟和1，2，叢中方3，隋偉1，2，劉錦程4

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130061；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林長(zhǎng)春130061；3.山東文登抽水蓄能有限公司，山東威海266440；4.黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江牡丹江157005）

軟巖料筑壩與傳統(tǒng)硬巖料筑壩存在較大的工程差異性，通過(guò)室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)軟質(zhì)砂巖筑壩料的級(jí)配、壓實(shí)性、滲透性、壓縮性、強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行了測(cè)試分析，成果對(duì)于軟巖堆石壩的設(shè)計(jì)與施工具有重要的指導(dǎo)意義。

軟質(zhì)砂巖；面板；堆石壩；滲透性；壓縮性

0 引言

巖石軟硬程度的劃分可依據(jù)GB50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范》，以飽和單軸抗壓強(qiáng)度為30 MPa作為軟硬巖的分界限。與傳統(tǒng)的硬巖堆石料相比，軟巖堆石料具有壓縮模量大，顆粒易細(xì)化，壓實(shí)后孔隙率低，豎向滲透系數(shù)小，以及沉降期控制不同等特點(diǎn)?；谏鲜鲈颍瑢?duì)軟質(zhì)砂巖筑壩料的各項(xiàng)物理力學(xué)特性進(jìn)行全面測(cè)試分析，并對(duì)其筑壩適用性進(jìn)行探討，成果對(duì)于軟質(zhì)砂巖堆石壩的設(shè)計(jì)與施工均具有重要的指導(dǎo)意義。

1 級(jí)配特征

軟質(zhì)砂巖料級(jí)爆破開(kāi)采后的級(jí)配特征與經(jīng)上壩碾壓后的級(jí)配特征差異較大，這是由于軟巖料的抗壓強(qiáng)度低，受到振動(dòng)碾壓及灑水濕化等作用，出現(xiàn)顆粒破碎，進(jìn)而在碾壓層表面產(chǎn)生泥化板結(jié)現(xiàn)象。對(duì)爆破開(kāi)采后的主堆石料進(jìn)行了取樣篩分，級(jí)配曲線如圖1所示，碾壓前試驗(yàn)料級(jí)配組成：小于5 mm含量平均為14.3%，小于0.075 mm含量平均為1.4%，不均勻系數(shù)Cu為66，曲率系數(shù)Cc值為2.8，其級(jí)配良好。碾壓后顆粒較碾壓前出現(xiàn)了明顯的細(xì)化，小于5 mm顆粒含量增加至17.3%，小于0.075 mm含量增加至5.3%。

圖1 碾壓前、后主堆料級(jí)配特征

2 壓實(shí)性

主堆石料碾壓采用料場(chǎng)爆破合格料，經(jīng)反鏟均勻裝車，用20 t運(yùn)輸汽車裝運(yùn)到壩區(qū)，反鏟裝車過(guò)程中剔除了大于800 mm粒徑的石塊。碾壓設(shè)備使用25 t自行式振動(dòng)平碾，工作質(zhì)量為25 t，碾寬2.12 m，振動(dòng)頻率為28/32 Hz，振幅為2.1/1.1 mm，激振力為430/280 kN；碾壓時(shí)行進(jìn)速度為2.0 km/h。碾壓結(jié)束后，按照SL237-041-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》要求采用灌水法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)密度檢測(cè)。檢測(cè)干密度及孔隙率見(jiàn)表1所示，所用軟質(zhì)砂巖料級(jí)配較好，鋪料96.5 cm。其中，虛鋪厚96.5 cm，碾壓后控制在80 cm，灑水碾壓后，可達(dá)到較高的密度。壓實(shí)后干密度大于2.07 g/cm3，壓實(shí)后孔隙率為18.77%～20.83%。

表1 干密度及孔隙率

3 滲透性

3.1 垂直滲透性

垂直滲透性檢測(cè)采用粗粒土垂直滲透變形儀，儀器筒身直徑為50 cm。根據(jù)規(guī)范要求儀器的內(nèi)徑應(yīng)大于試樣粒徑d85的5倍進(jìn)行制樣。并按式（1）—（3）計(jì)算垂向滲透系數(shù)：

式中：kT——滲透系數(shù)，cm/s；v——滲透流速，cm/s；i——滲透坡降。

式中：Q——滲流量，cm3/s；A——試樣面積，cm2。

式中：△H——測(cè)壓管水頭，cm；L——與水頭差△H相應(yīng)的滲徑長(zhǎng)度，cm。

測(cè)得豎向滲透系數(shù)如圖2所示，軟巖料的滲透性取決于干密度及細(xì)粒（小于5 mm）含量。由于壓實(shí)后的軟巖料顆粒破碎劇烈，細(xì)粒含量增多，填筑層上部出現(xiàn)板結(jié)層，故豎向滲透系數(shù)一般都較小，達(dá)到A×10-4cm/s。

圖2 軟質(zhì)砂巖堆石料滲透i～v關(guān)系曲線（豎向）

3.2 水平向滲透

水平向滲透性能測(cè)試采用自行研制的粗粒土水平滲透儀，結(jié)果如圖3所示，主堆石水平滲透系數(shù)為A×10-1cm/s，遠(yuǎn)大于其豎直方向滲透系數(shù)，水平方向滿足自由排水的要求。

圖3 主堆料i～v關(guān)系曲線（水平）

4 壓縮性

軟巖堆石料的壓縮性質(zhì)與硬巖堆石料存在較大差異。硬巖堆石料的顆?；旧蠟椤皢误w”結(jié)構(gòu)，其壓縮變形取決于顆粒的重新排列，在豎向壓力的作用下，單體顆粒發(fā)生相對(duì)移動(dòng)、重新排列并互相擠密。因此，壓縮變形量的大小與顆粒間的摩擦阻力有關(guān)，級(jí)配好、顆粒堅(jiān)硬，顆粒間所受到的摩擦阻力愈大，壓縮變形就愈小。軟巖料的壓縮性與母巖抗壓強(qiáng)度、初始顆粒級(jí)配、密度和含水率大小有關(guān)。室內(nèi)壓縮試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表2），表明軟質(zhì)砂巖料壓縮模量屬中等，32.7～62.8 MPa，與硬巖堆石料的壓縮模量相比較明顯偏低。e～p曲線表現(xiàn)為曲線光滑、無(wú)突變，說(shuō)明軟質(zhì)砂巖料在垂直壓力作用下逐漸破碎，其壓縮變形逐漸增加，在試驗(yàn)垂直壓力范圍內(nèi)（p≤3.2 MPa）不會(huì)發(fā)生突然沉降變形。

5 強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變特性

對(duì)軟質(zhì)砂巖料進(jìn)行大型三軸剪切試驗(yàn)，采用水頭法對(duì)試樣進(jìn)行飽和，然后按要求施加圍壓對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)穩(wěn)定后，進(jìn)行試樣的剪切。剪切過(guò)程中，由計(jì)算機(jī)采集試樣的軸向荷載、軸向變形、排水量，并同步繪制應(yīng)力—應(yīng)變曲線，直至試樣破壞或至試樣軸向應(yīng)變的15%。當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線有峰值時(shí)，以峰值點(diǎn)為破壞點(diǎn)，峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差為該料的破壞強(qiáng)度；反之，則取軸向應(yīng)變的15%所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為破壞點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差為該堆石料的破壞強(qiáng)度。整理出的試驗(yàn)材料抗剪強(qiáng)度和鄧肯模型參數(shù)（E-μ，E-B模型）見(jiàn)表3。

表2 不同高程筑壩料壓縮模量

表3 軟質(zhì)砂巖主堆料E-μ、E-B模型參數(shù)

6 結(jié)論

1）軟質(zhì)砂巖料經(jīng)填筑碾壓后，級(jí)配細(xì)化，出現(xiàn)顆粒破碎，細(xì)顆粒（小于5 mm）含量增加，較碾壓前的級(jí)配(小于5 mm含量平均為14.3%，小于0.075 mm含量平均為1.4%)小于5mm顆粒含量增加至17.3%，小于0.075 mm含量增加至5.3%，且碾壓層表面產(chǎn)生板結(jié)現(xiàn)象。

2）軟質(zhì)砂巖料級(jí)配較好，鋪料96.5 cm（虛鋪厚96.5 cm，碾壓后控制在80 cm）灑水碾壓后，可達(dá)到較高的密度。壓實(shí)后干密度大于2.07 g/cm3，壓實(shí)后孔隙率18.77%～20.83%。

3）軟質(zhì)砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度小于30 MPa，選用此類巖石作為面板堆石壩主堆料時(shí)，由于軟質(zhì)砂巖飽和抗壓強(qiáng)度低，分層加水碾壓后表層易形成板結(jié)，致使主堆區(qū)豎向滲透系數(shù)偏小為A× 10-4cm/s，不能較好的滿足排水要求。主堆料分層碾壓后，板結(jié)層下部堆石區(qū)滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于豎直方向滲透系數(shù)。通過(guò)自行研制的粗粒土水平滲透儀對(duì)其滲透性能進(jìn)行檢測(cè)，水平向滲透系數(shù)為A× 10-1cm/s。

4）軟質(zhì)砂巖料e～p曲線表現(xiàn)為曲線光滑、無(wú)突變，說(shuō)明軟質(zhì)砂巖料在垂直壓力作用下的壓縮變形是隨壓力增大而逐漸破碎的，在試驗(yàn)垂直壓力范圍內(nèi)（p≤3.2 MPa），不會(huì)發(fā)生突然沉降變形。

5）三軸試驗(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)力應(yīng)變曲線具有非線性、壓硬性和彈塑性等一般規(guī)律，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線基本符合鄧肯-張模型曲線，為典型的軟巖料。

［1］邢皓楓，龔曉南，傅海峰，王正宏.混凝土面板堆石壩軟巖料填筑技術(shù)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26（2）：235-238.

［2］向永忠，蔣濤，付軍.軟巖條件下的筑壩技術(shù)研究與應(yīng)用［C］.水電國(guó)際研討會(huì)，2006：618-638.

［3］徐澤平，邵宇，梁建輝.軟巖筑面板壩堆石壩的壩體斷面分區(qū)研究［J］.水力學(xué)報(bào)，2004（1）：62-65.

［4］彭成，郭德發(fā)，王慶.面板堆石壩軟巖料的應(yīng)用分析［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（5）：612-615.

［5］馬棟和，楊偉，王和鑫，張芳軍.面板堆石壩軟質(zhì)砂巖主堆料滲透性能研究［J］.東北水利水電，2015（8）：44-45.

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